rektifikation in füllkörpersäulen bei atmosphärendruck und unterdrucken

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0,32,,,m ionen Rektifikation in Fullkorpersaulen bei Atmospharendruck "c umgebender Luft ubertragen wird. und Unterdrucken*) Von Prof. Dr.-lng. EMIL KIRSCHBAUM, Dip1.-lng. WERNER BUSCH und Dip1.-Ing. REINHARD BILLET, Institut fur Apparatebau und Verfahrenstechnik der Techn. Hochschule, Karlsruhe Aus dem lnstitut fur Apparatebou und Verfahrenstechnik der Technischen Hochschule Karlsruhe wurden bereits vor einiger Zeit Versuchsergebnisse veroffentlichtf, z), die bei der Rektifikation mehrerer Zwei- stoffgemische in einer Fullkorpersaule von 100 mm Dmr. und 8-mm-Porzellan-Raschig-Ringen bei Druk- ken zwischen 760 und 50 Torr gewonnen wurden. Sie hatten proktisch verwertbare Erkenntnisse geliefert, die es wert erscheinen lieBen, den Druckbereich nach hoheren Unterdrucken hin zu erweitern und zum Vergleich auch Porzellan-Roschig-Ringe von 25 mm Abmessung zu untersuchen. Es wurden desholb neue Versuche mit den Gemischen AthylenchloridiToluoI bzw. Kthanol/Wasser im Unterdruckgebiet zwischen 760 und 10 Torr durchgefuhrt. Auf dem Gebiet der Rektifiziertechnik nimmt die Va- kuum-Rektifikation einen immer groRer werdenden Raum ein. Insbesondere umschlieRt die moderne organische Che- mie eine groDe Gruppe von Gemischen, deren Neigung zu thermischer Zersetzung und zur Polymerisation das Uber- schreiten bestimmter Hochsttemperaturen bei der Rektifi- kation verbietet. Eine Moglichkeit, die Gemische schonend zu rektifizieren, besteht in der Anwendung tiefer Drucke. Damit wird der absolute Druck zur ausschlaggebenden Be- triebsbedingung erhoben. Jedoch auch der Drudcverlust spielt eine bedeutende Rolle, entscheidet er do& zu einem wesentlichen Teil daruber, welcher Absolutdruck sich am FUR einer Kolonne einstellen wird. Geringe Druckverluste haben aber die Verwendung stromungstechnisch giinstiger Einbauten zur Voraus- setzung. Fur Trennaufgaben der bezeichneten Art werden *) Uber einen Teil der Versuche wurde auf der internen Ar- beitstagung des Ausschusses .,Destillation, Rektifikation und Ex- traktion" der VDI-Fachgruppe Verfahrenstechnik am 30. und 31. Marz 1954 in Hann.-Munden vorgetragen; vgl. den Tagungs- hericht in diescr Ztschr. 26, 410 [1954]. Die Versuche wurden von den Diplom-Ingenieuren R. Billet, W. Busch, L. Hummler u. G. Pieiffer durchgefuhrt. Fur die groB- zugige Unterstdtzung dieser Arbeiten sei der DECHEMA, Frank- furtlM., der Deutschen Forschungsgemeinschaft Bonn, und der BASF, LudwigshafenJRh., aufrichtig gedankt. deshalb Fiillkorper den iiblichen Austauschboden im all- gemeinen vorgezogen. Zweck und Ziel der vorliegenden Arbeit ist, einen Beitrag zur Klarung der Zusammenhange zu leisten, die in Vakuum-Fullkorpersaulen zwischen Rektifizierwirkung, Absolutdruck, Druckverlust und Belast- barkeit bestehen. Versuchsanlagen Fur die Rektifizierversuche zur Feststellung der Trenn- wirkung bei 8-mm-Porzellan-Raschig-Ringen wurde eine Anlage nach Bild 1 verwendet. Danach besteht die eigent- liche Rektifiziersaule a aus einem glatten Mantel von 100 mm Dmr., der bis zu einer Hohe von 1 m mit Por- zellan-Raschig-Ringen der Abmessungen 8X8X 1 mm ge- fullt ist. Als Destilliereinrichtung dient eine Blase b rnit einem Fassungsverniogen von 150 1. Sie wird durch elek- trische Heizstabe beheizt (c). Eine Schalttafel d und 2 Schiebewiderstande e gestatten die stufenlose Regelung der Heizleistung von 0 bis 8 kW. Sie wurde mittels geeich- ter Prazisions-Leistungsmesser ermittelt. Der Rucklaufkondensator f ist unmittelbar uber der Saule angeordnet. Er enthalt als Kuhlelement eine Rohr- schlange, an deren AuRenseite die Gemischdampfe nieder- geschlagen werden. Der so gebildete Riicklauf flieRt in einen Verteilerbecher und wird durch diesen auf die oberste Fiillkorperschicht verteilt. Der Verteilerbecher be- Chemie-1ng.-Techn. 28. .Jahrg. 1956 / Nr. 7 475

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Page 1: Rektifikation in Füllkörpersäulen bei Atmosphärendruck und Unterdrucken

0,32,,,m ionen

Rektifikation in Fullkorpersaulen bei Atmospharendruck

"c umgebender Luft ubertragen wird.

und Unterdrucken*) Von Prof. Dr.-lng. EMIL KIRSCHBAUM, Dip1.-lng. WERNER BUSCH und Dip1.-Ing. REINHARD BILLET,

Institut fur Apparatebau und Verfahrenstechnik der Techn. Hochschule, Karlsruhe

Aus dem lnstitut fur Apparatebou und Verfahrenstechnik der Technischen Hochschule Karlsruhe wurden bereits vor einiger Zeit Versuchsergebnisse veroffentlichtf, z ) , die bei der Rektifikation mehrerer Zwei- stoffgemische in einer Fullkorpersaule von 100 mm Dmr. und 8-mm-Porzellan-Raschig-Ringen bei Druk- ken zwischen 760 und 50 Torr gewonnen wurden. Sie hatten proktisch verwertbare Erkenntnisse geliefert, die es wert erscheinen lieBen, den Druckbereich nach hoheren Unterdrucken hin zu erweitern und zum Vergleich auch Porzellan-Roschig-Ringe von 25 mm Abmessung zu untersuchen. Es wurden desholb neue Versuche mit den Gemischen AthylenchloridiToluoI bzw. Kthanol/Wasser im Unterdruckgebiet zwischen

760 und 10 Torr durchgefuhrt.

Auf dem Gebiet der Rektifiziertechnik nimmt die Va- kuum-Rektifikation einen immer groRer werdenden Raum ein. Insbesondere umschlieRt die moderne organische Che- mie eine groDe Gruppe von Gemischen, deren Neigung zu thermischer Zersetzung und zur Polymerisation das Uber- schreiten bestimmter Hochsttemperaturen bei der Rektifi- kation verbietet. Eine Moglichkeit, die Gemische schonend zu rektifizieren, besteht in der Anwendung tiefer Drucke. Damit wird der absolute Druck zur ausschlaggebenden Be- triebsbedingung erhoben. Jedoch auch der Drudcverlust spielt eine bedeutende Rolle, entscheidet er do& zu einem wesentlichen Teil daruber, welcher Absolutdruck sich am FUR einer Kolonne einstellen wird.

Geringe Druckverluste haben aber die Verwendung stromungstechnisch giinstiger Einbauten zur Voraus- setzung. Fur Trennaufgaben der bezeichneten Art werden

*) Uber einen Teil der Versuche wurde auf der internen Ar- beitstagung des Ausschusses .,Destillation, Rektifikation und Ex- traktion" der VDI-Fachgruppe Verfahrenstechnik am 30. und 31. Marz 1954 in Hann.-Munden vorgetragen; vgl. den Tagungs- hericht in diescr Ztschr. 26, 410 [1954].

Die Versuche wurden von den Diplom-Ingenieuren R. Billet, W. Busch, L. Hummler u. G. Pieiffer durchgefuhrt. Fur die groB- zugige Unterstdtzung dieser Arbeiten sei der DECHEMA, Frank- furtlM., der Deutschen Forschungsgemeinschaft Bonn, und der BASF, LudwigshafenJRh., aufrichtig gedankt.

deshalb Fiillkorper den iiblichen Austauschboden im all- gemeinen vorgezogen. Zweck und Ziel der vorliegenden Arbeit ist, einen Beitrag zur Klarung der Zusammenhange zu leisten, die in Vakuum-Fullkorpersaulen zwischen Rektifizierwirkung, Absolutdruck, Druckverlust und Belast- barkeit bestehen.

Versuchsanlagen Fur die Rektifizierversuche zur Feststellung der Trenn-

wirkung bei 8-mm-Porzellan-Raschig-Ringen wurde eine Anlage nach Bild 1 verwendet. Danach besteht die eigent- liche Rektifiziersaule a aus einem glatten Mantel von 100 mm Dmr., der bis zu einer Hohe von 1 m mit Por- zellan-Raschig-Ringen der Abmessungen 8X8X 1 mm ge- fullt ist. Als Destilliereinrichtung dient eine Blase b rnit einem Fassungsverniogen von 150 1. Sie wird durch elek- trische Heizstabe beheizt ( c ) . Eine Schalttafel d und 2 Schiebewiderstande e gestatten die stufenlose Regelung der Heizleistung von 0 bis 8 kW. Sie wurde mittels geeich- ter Prazisions-Leistungsmesser ermittelt.

Der Rucklaufkondensator f ist unmittelbar uber der Saule angeordnet. Er enthalt als Kuhlelement eine Rohr- schlange, an deren AuRenseite die Gemischdampfe nieder- geschlagen werden. Der so gebildete Riicklauf flieRt in einen Verteilerbecher und wird durch diesen auf die oberste Fiillkorperschicht verteilt. Der Verteilerbecher be-

Chemie-1ng.-Techn. 28. .Jahrg. 1956 / Nr. 7 475

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a Fdlkorpersiule, b Blase, c elek- trische Hcizung, d Schalttafel, e 2 Schiebewiderstande, f Ruck- laufkondensator. g Solekuhler, h Kreiselpunipe, i Doppelrohr- warmeaustauscher, k Vakuum- pumpe, I Abscheider, m Luftcin-

laDventil, n Probeglas fE Erzeugnis-Kondensattempera- tur, 1, Kiihlsole-Anfangstempe-

ratur, t,, Kdhlsole-Endtemperatur, t', Kiihlwasser-Anfangstempera- tur, t',Kiihlwasser-Endtemperatur, Q Heizleistung, p absoluter Druck, A p Druckverlust, xu Blasenkon- zentration, xE Erzeugniskonzen-

tration

Bild 1. Aufbau der Vakuum-Rektifizieranlage mit 100 inm Sdulen-Dmr. und 8-mm-Porzellan-Raschig-Ringen

findet sich in einem ZwischenschuR, der Saule und Konden- sator miteinander verbindet. Sein entsprechend geringerer Durchmesser IdRt einen Ringspalt zwischen dem auReren Mantel und dem Becher fur den Dampfdurchtritt frei. Die Fliissigkeit tritt durch dusenartig geformte Locher am Bo- den des Bechers aus. Durch Schauglaser kann die Gieich- maSigkeit der Verteilung uberwacht werden.

Da die Kondensationstemperaturen bei dem tiefsten gemessenen Druck von 10 Torr fur das Gemisch Athylen- chlorid/Toluol etwa -12 "C betrugen, muDte der Konden- sator mit Kiihlsole beschickt werden. Diese wird i n einem Solekiihler g auf entsprechend tiefe Temperaturen gebracht und durchstromt, von einer Kreiselpunipe h gefordert, im Gegenstrom zum aufsteigenden Dampf zuerst einen Dop- pelrohr-Warmeaustauscher i, dann die Rohrschlange des Kondensators, um anschlienend in den Verdampfer des Sole- kuhlers zuruckzuflieRen. Bei geringeren Unterdrucken und bei Atmosphiirendruck kann auf Kiihlwasser umgeschal- tet werden. Der Doppelrohr-Austauscher ist als h'ach- kiihler uber dem Kondensator angeordnet und hat die Aufgabe, etwa noch nicht verflussigte Restdampfmengen niederzuschlagen.

Zur Erzeugung des Vakuums wird eine Gasballast- pumpe k benutzt, die iiber einen Abscheider I rnit dem Nachkiihler verbunden ist. Der gewiinschte Unterdruck kann mit Hilfe von 2 Lufteinlanventilen m eingestellt wer- den. Die DruckmeBeinrichtung besteht aus einem queck- silbergefiillten U-Rohr und einem Vakuum-Meter. Beide sind iiher eine Druckausgleichflasche und einen Fliissig- keitsabscheider an den Kopf der Saule angeschlossen. Das zweite U-Rohr, das die Druckdifferenz zwischen Blase und Saulenkopf anzeigt, war wahrend der Versuche mit dem Gemisch Athylenchlorid/Toluol nicht rnit Wasser, sondern mit Toluol gefiillt. Bei diesem Gemisch bestand namlich die Gefahr, daR bei tiefen Drucken verdampfendes Mano- meterwasser in den Kondensator gelangte und so das Ge- misch verunreinigte. Um ein Sieden der Fiillungen zu ver- hindern, wurden die Manometerschenkel bei Drucken unter 20 Torr mit Eis bzw. Kohlensaureschnee gekuhlt.

Die ganze Kolonne, bestehend aus Blase, Saulenmantel nnd Kondensator mit Nachkuhler war aus Kupfer herge- stellt und in einer Dicke von 50 mm mit Glaswollematten in Asbestgewebe isoliert.

Bild 2 zeigt den Aufbau der Versuchsaniage, die zur Messung der Trennwirkung bei Verwendung von 25-mm- Porzellan-Raschig-Ringen benutzt und in der nur das Zwei- stoffgemisch Athanol/Wasser bei Drucken zwischen 760 und 50 Torr untersucht wurde. Ihr Aufbau entspricht im Prinzip dem der Versuchsanlage des Bildes 1.

In der Destillierhlase a aus Kupfer wird das zu zer- legende Gemisch mittels Heizdampfschlange verdampft.

Der Gemischdampf stromt durch die auf die Blase aufge- setzte Trennsaule b, deren Mantel von 400 mm Dmr. aus Glas besteht und mit Porzellan-Raschig-Ringen von 25X25X2 mm Abmessung bis zu einer Hohe von 1 m an- gefullt ist. Der aus der Fiillkorperschicht aufsteigende Dampf gelangt nach Passieren der Aufgabevorrichtung fur den Riicklauf durch ein Verbindungsrohr in den Rucklauf- kondensator c und wird dort voilkommen niedergeschla- gen. Das anfallende Kondensat wird vollstandig dem Ko- lonnenkopf zugefuhrt und durch einen Aufgabeboden gleichmaRig auf die Fiillkorperschicht verteiit. Die Luft stromt durch den Gaskiihler d und durch das eisgekuhlte AuffanggefaB e und gelangt uber die Vakuumpumpe ins Freie. Bei letzterer handelt es sich um eine SIHI-Wasser- ringpumpe, die von einem 2-PS-Motor angetrieben wird. Der gewiinschte Unterdruck wird durcli ein LufteinlaR- ventil geregelt. Gaskiihler und Rucklaufkondensator wer- den mit Kiihlwasser beschickt.

Die Heizleistung wird durch Regelung des Heizdampf- druckes eingestellt, dessen GroBe an einem FeinmeR- manometer abgelesen werden kann. Ein KondensatmeR- gefal3 gestattet, die in der Zeiteinheit anfailende Heiz- dampfkondensatmenge zu messen, aus der unter Beriick- sichtigung der Warmeverluste auf die Kolonnenbelastung geschlossen werden kann.

Kiihlwarsermlauf

& Xoidensaat

Uild 2. Aufbau der Vakuum-Rektifizieranlage mit 400 mniSdulen- durcliinesser und 25-mm-Porzellan-Rdschig-Ringen

ci Destillierblase, b Fiillkorpersaule, c Rucklaufkondensator, d Gaskuhler, e AuffanggefaB, f DanaidengefaO

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Die Vorrichtungen zur Druck- und Druckverlustmessung sind ihrer Anordnung gemaR dieselben wie diejenigen der Versuchsanlage nach Bild 1.

Versuchsdurchfu hrung Zu Beginn jeder Versuchsreihe wurde die Saule ge-

flutet, um eine vollstandige Benetzung der Fullkorper sicherzustellen, und erst dann die jeweils gewunschte Be- lastung eingeregelt. Bis zum sicheren Erreichen des Be- harrungszustandes waren 1 bis 3 h notig, je nach Belastung und Druck. Es wurde bei totalem Rucklauf rektifiziert. Die Blasenkonzentration hetrug bei den Versuchen rnit Athy- lenchlorid/Toluol etwa 5 Mol-O/o Athylenchlorid, bei den Versuchen mit AthanoUWasser ungefahr 4 Mol-O/o Athanol. Die Art und Weise der Probeentnahme ist aus den Bildern 1 und 2 ersichtlich. Es wurde so verfahren, daR je 1 Proben- paar aus der Blase und dem Kondensator im Abstand von 10 bis 15 min entnommen wurde. Jedes Probeglas enthielt etwa 50 cm3 Flussigkeit. Bei tiefen Drucken oder bei Kon- densationstemperaturen, die unter Umgebungstemperatur lagen, muaten die Probeglaser wahrend der Entnahme ge- kuhlt werden, um eine teilweise Verdampfung der Fliissig- keit zu verhindern, Hierfur wurden doppelwandige, der Form der Glaser angepaRte Gefaiae verwendet, die vom Kalteaggregat mit Kuhlsole gespeist wurden. Nach Tem- perierung der Proben im Thermostaten konnten mittels geeichter Araometer ihre spez. Gewichte und aus diesen mit Hilfe von Umrechnungskurven die jeweiligen Konzen- trationen bestimmt werden. Die Einfachheit dieser Ana- lysenmethode war mit ein Grund fur die Wahl des Zwei- stoffgemisches AthylenchloridlToluol als Testgemisch; denn die spez. Gewichte der Komponenten liegen bei 15 "C mit 1,26 und 0,8? g/cmS verhaltnismaoig weit auseinander.

Gleichgewichtskurven% 4)

Cohurn und Mitarbb.3) hatten bereits den experimen- tellen Nachweis gefuhrt, daR Athylenchlorid/Toluol bei dem Druck von 360 Torr dem Raoultschen Gesetz gehorcht. Die Aktivitatskoeffizienten stimmen nahezu mit dem ide- alen Wert 1 uberein. In einer gesonderten, teils experi- mentellen, teils theoretischen Arbeit am Karlsruher Insti- tut fur Apparatebau und Verfahrenstechnik konnte das ideale Verhalten des Gemisches auch fur das Unterdruck- gebiet bestdtigt werden. Die Differenzen zwischen den ge- messenen und den aus den Dampfdruckkurven errechneten Gleichgewichtskurven belaufen sich auf maximal 0,8 M ~ l - ~ i o . Der Berechnung wurden die neuesten Dampfdruck- kurven zugrunde gelegt. Bei Verwendung alterer MeR- werte verringern sich die Abweichungen auf 0,3 Mol-O/o. Sie liegen innerhalb der Fehlergrenzen, die verschiedene Forscher fur Untersuchungen dieser Art angeben.

Belastungskurven Das Ziel der Hauptversuche war das Auffinden der Zu-

sammenhange zwischen Austauschwirkung, Belastung, Druck und Druckverlust, und die Feststellung der Be- lastungsgrenzen. Bild 3 zeigt eine sog. Belastungskurve, wie sie in ihrem charakteristischen Verlauf bereits aus fruheren Veroffentlichungen bekannt ist1)2)5-8). Sie gilt fur das Versuchsgemisch Athylenchlorid/Toluol und 8-mm- Porzellan-Raschig-Ringe bei Atmospharendruck. Die Wer- tungszahl, auch vergleichsmaiaige theoretische Bodenzahl genannt, ist uher der im freigedachten Saulenquerscknitt - und zwar am Saulenkopf - herrschenden Dampfge- schwindigkeit WD aufgetragen. Da die Fullkorper-Schicht- hohe 1 m betrug, sind im vorliegenden Falle die Wertungs- zahlen rnit den spez. Wertungszahlen identisch. Einem flachen Minimum der Wertungszahl hei mittleren Be- lastungen schlieBt sich ein steiles Maximum an. Es fallt sofort auf, daR die entsprechende Belastungskurve fur 15 Torr gemaR Bild 4 flacher verlauft als die erste, d. h. daa der Unterschied zwischen dem hier nur angedeuteten Mini- mum und dem Maximum geringer ist. Er verringert sich von 3,2 Einheiten bei 750 Torr auf 1 Einheit bei 15 Torr.

I

8

$6 3 1

El

3 4

2

0 $08 $16 Q24 032 $40m/sO48 Dampfqeschwndqkeil WD -

!

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Bild 3. Atmospharendruck

6 Y 4

$ 4 $ $2 2

0 08 16 24 32 4.0 48 56 &m/s 72 Damp$exhwindigkeit wo

Bild 4. Druck p = 15 Torr

Bild 3 und 4. Wertungszahl nt in Abhangigkeit van der Dampf- geschwindigkeit wD am Saulenkopf

8-mm-Porzellan-Raschig-Ringe, Schichthohe 1 m, Saulen-Dmr. 100 mm; Gemisch: Kthylen&lorid/Toluol, Blasenkonzentration

5 MOI-~/O Athylenchlorid, Rucklaufverhaltnis 00

6

Y

3 $ 2 2 e

I , I 1 I I I I I

0 0.8 16 2.4 32 4,0 48mk 56 EZz5 Dampfgeschwmdigkeit wo

Bild 5. Wertungszahl nt in Abhangigkeit von der Dampfge- schwindigkeit wD am Saulenkopf bei Atmospharendruck uncl

Unterdrudcen. 25-mm-Porzellan-Raschig-Ringe, Smichthohe 1 m, Saulen-Dmr. 400 mm; Gemisch: Athanol/Wasser, Blasenkonzentration

4 Mol-o/o, Rdcklaufverhaltnis cc

8

6 Y

4 4 Q 2 $ 4

1,

..

6 Y

4 4 Q 2 $ 4

1,

IEEI Mengetgeschwhdgkd m Bild 6. Wertungszahl nt in Abhangigkeit von der Mengen-

geschwindigkeit m am Saulenkopf bei Atmospharendruck und Unterdrucken

8-mm-Porzellan-Raschig-Ringe, Schichthohe 1 m, Saulen-Dmr. 100 mm; Gemisch: Athylenchlorid/Toluol, Blaseakonzentration

5 Mol-O/o Athylenchlorid, Rucklaufverhaltnls w

Dagegen verschiebt sich die obere Grenzgeschwindigkeit von rd. 0,5 m / s auf mehr als den zehnfachen Wert. Ein ahnlicher Verlauf der Belastungskurven ist aus Bild 5 er- s idUch, das fur das Gemisch AthanoliWasser und 25-mm- Porzellan-Raschig-Ringe gilt. Umgekehrt verhalt es sich mit den Mengengeschwindigkeiten, deren Zusammenhang mit Druck und Wertungszahl fur das Gemisch Athylen- chloridToluo1 in Bild 6 dargestellt ist. Sie werden mit

Chemie-1ng.-Techn. 28. Jahrg. 1956 / Nr. 7 477

Page 4: Rektifikation in Füllkörpersäulen bei Atmosphärendruck und Unterdrucken

fallendem Druck immer kleiner. Man erkennt auch hier wie- der den besonders fur Raschig-Ring-Fullungen charakte- ristischen sattelahnlichen Verlauf der Kurven und die Ab- nahme der Differenz zwischen Maximum und Minimum.

Druckverlusfe Den beiden Extremwerten im Belastungsschaubild ent-

sprechen bekantlich zwei Knicke im Druckverlust-Ge- schwindigkeitsdiagramm mit logarithmisch geteilten Ko~rdina ten ' )~)~) . Bild 7 bestatigt die von fruheren Ver- suchen')*) bekannte Feststellung, daO der sog. Hauptab- schnitt zwischen unterer und oberer Grenzgeschwindigkeit bei allen Drudcen in ein und denselben Druckverlust- bereich fallt. Alle unteren Knickpunkte liegen fur 8-mm- Raschig-Ringe bei 50 bis 80 mm WS, alle oberen bei etwa 300 mm WS. Eine Ausnahme macht die 15-Torr-Linie. DaD sie keine Knickpunkte aufweist, ja, daR sich uberhaupt die Linien mit sinkendem Druck offensichtlich immer mehr einer Geraden nahern, wird wie folgt erklart: Mit abneh- mendem Drudc werden die Rieselmengen in der Saule ge- ringer, so daR sich der Drudcverlust in zunehmendem MaRe nach dem Gesetz fur unberieselte Fiillkorper andert. Dieses aber wird durch eine stetige Potenzfunktion ausge- druckt, die sich in der hier gewahlten Darstellungsart als Gerade abbildet. Trotz des Fehlens der Knickpunkte bleibt auch fur den Druck von 15 Torr das Gesetz der gleichen Druckverluste beim Erreichen der Belastungsgrenze ge- wahrt, wie aus Bild 8 hervorgeht. Die Maxima liegen bei etwa 300 mm WS, die Minima - einschlieBlich des Wende- punktes der 15-Torr-Linie - bei 50 bis 80 mm WS. Hier

Bild 7. Druckverlust A p in Abhangigkeit von der Dampfgeschwin- digkeit wD am Saulenkopf bei Atmospharendruck und Unter-

drucken 8-mm-Porzellan-Raschig-Ringe, Schichthohe 1 m, Saulen-Dmr. 100 mm; Gemisch: Athylen&lorid/Toluol, Blasenkonzentration

5 Mol-@/o Athylenchlorid, Rucklaufverhdltnis 00

wird auch besonders deutlich, daD die Wertungszahl mit dem Absinken des Druckes kleinere Werte annimmt, daR sich aber auch die Unterschiede zwischen den ausgezeich- neten Wertungszahlen bei Drucksenkung verringern. Bei 25-mm-Raschig-Ringen liegen fur das Gemisch Athanol/ Wasser die Maxima der Druckverluste bei etwa 125 mm WS.

Die Bilder 9 und 10 zeigen den gleichen Zusammenhang niit dem Druckverlust als Parameter. Der Verlauf der Kurven des Bildes 9 erweckt den Anschein, als wollten sie sich einer gemeinsamen waagerechten Asymptote nahern. Mit geringer werdendem Druckverlust verlaufen sie immer flacher, der EinfluR des Druckes auf die Austauschwirkung wird also immer geringer.

1

'4 6 8 10 20 40 M) 80100 mmWS 400 600 Emm Druckverlust A p

Bild 8. Wertungszahl nt in Abhangigkeit vom Druckverlust A p bei Atmospharendruck und Unterdrucken

8-mrn-Porzellan-Raschig-Ringe, Schichthohe I m, Saulen-Dmr. 100 mm; Gemisch: Athylenchlorid/Toluol, Blasenkonzentration

5 Mol-Q/o Kthylenchlorid, Rucklaufverhaltnis m

9 , I I I l l I I I 1

; 310 20 40 €0 80W 2oOTorr4Oo 600800

O m k p Bild 9. Wertungszahl nt in Abhangigkeit vom Drudc p am

Saulenkopf bei konstantem Druckverlust d p 8-mm-Porzellan-Raschig-Ringe, Schichthohe 1 m, Saulen-Dmr. 100 mm; Gemis&: AthylenchloricVToluoI, Blasenkonzentration

5 Mol-Q/o Athylenchlorid, Rucklaufverhaltnis 00

L40 60 80 109 200 400 Torr 600 .8W Druck p

Bild 10. Wertungszahl nt in Abhangigkeit vom Druck p am Saulenkopf bei konstantem Druckverlust dp

25-mm-Porzellan-Raschig-Ringe, Schichthohe 1 m, Saulen-Dmr. 400 mm; Gemisch: Athanol/Wasser, Blasenkonzentration

4 Mol-oio, Rucklaufverhaltnis 00

EinfluB der relativen Fliichtigkeit In den vorstehenden Ausfiihrungen war mehrfach von

den Belastungskurven die Rede, die den graphischen Zu- sammenhang zwischen Wertungszahl und Dampfgeschwin- digkeit bzw. Mengengeschwindigkeit oder dem Druckver- lust bei konstantem Druck aufzeigen. Sotche Kurven las- sen unmittelbar erkennen, bei welchen Belastungen eine Fiillkorpersaule bestimmter Hohe das hochst konzentrierte Erzeugnis liefert, oder aber welche Belastung der Planung einer Saule zugrunde gelegt werden muR, urn die verlang-

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ten Konzentrationen mit moglichst geringem Aufwand an Bauhohe zu erreichen. Diese eindeutigen Folgerungen sind nicht mehr mogiich, sobald der Druck als dritte Variable in den Kreis der Betrachtungen einbezogen wird, da sich mit dem Druck die Form der Gleichgewichtskurve und da- mit auch die Basis zur Ermittlung der Wertungszahlen In- dert. Selbstverstandlich bleibt die Wertungszahl auch in diesem Falle die rechnerische Grundlage zur Bestimmung der SchichthoheS). Es sol1 jedoch in diesem Zusammenhang betont werden, daR der druckbedingten Anderung der Wertungszahl nicht auch eine gleichsinnige Anderung der Konzentrationsdifferenz zwischen Blase und Saulenkopf parallel gehen muR. Hier offenbart sich der EinfluR der relativen Fluchtigkeit. Nimmt die relative Fluchtigkeit eines Systems mit sinkendem Druck zu, so verschieben sich die zu bestimmten Flussigkeitskonzentrationen gehoren- den Gleichgewichtszusammensetzungen des Dampfes be- kanntlich nach hoheren Werten. Die Auswirkungen auf die Wertungszahl seien am Beispiel des Gemisches Athylen- chloridToluo1 aufgezeigt. Ermittelt man die Wertungszahl fur 750 Torr zwischen einer Blasenkonzentration von bei- spielsweise 5 Mol-O/o und einer Erzeugniskonzentration von 90 Mol-"/o, so ergibt sich der Wert 5. Er sinkt fur 10 Torr zwischen den gleichen Konzentrationen auf weniger als 3 ab.

In Bild 11 ist die Konzentrationsdifferenz zwischen Blase und Kopf der Saule als Funktion des Druckes dar- gestellt mit dem Druckverlust als Parameter. Die Kurven zeigen die umgekehrte Tendenz der Wertungszahlkurven in Bild 9; sie steigen im Bereich kleiner Druckverluste mit sinkendem Druck und bleiben bei 300 mm WS - also in der Nahe der oberen Belastungsgrenze - nahezu kon- stant. Somit bleibt der Trenneffekt, d. h. die tatsachlich erreichte Konzentrationsdifferenz bei allen Drucken etwa gleich, obwohl die maximale Wertungszahl, wie aus Bild 8 erkenntlich, von rd. 8,5 bei 750 Torr auf den Wert 5 bei 15 Torr abfallt. Auffallend ist auch hier wieder, daR die Kur- ven mit sinkendem Druck immer naher zusammenrucken.

95 Md-%

93

91

$89

87

I

* v

RC Y d

6 8 10 20 40 60 80100 2OOTorr400 600wOO

Bild 11. Konzentrationsdifferenz dx zwischen Destillatkonzen- tration xE und Blasenkonzentration xK in Abhangigkeit vom

Druck p am Saulenkopf bei konstantem Drudwerlust dp 8-mm-Porzellan-Raschig-Ringe, Schichthohe 1 m, Saulen-Dmr. 100 mm; Gemisch: Athylenchlorid/Toluol, Blasenkonzentration

5 Mol-Q/o Athylenchlorid. Riidclaufverhaltnis o;,

- Druck p

Sie scheinen einem Grenzwert zuzustreben, der dem Maxi- mum des Trenneffektes entspricht. Ob andere Gemische sich ahnlich verhalten, mul3te durch weitere Versuche ge- k k t werden. Altere experimentelle Untersuchungen rnit den Gemischen BenzoliToluol und BenzollAthylenchlorid2), die allerdings lediglich im Druckbereich zwischen 100 Torr und Atmospharendruck durchgefuhrt worden waren, lassen auf ein ahnliches Verhalten bei Erniedrigung des Druckes schlieRen; zumindest werden auch fur jene Gemische die Unterschiede zwischen Maximum und Minimum der Wer- tungszahl geringer. Das gleiche gilt fur den Trenneffekt.

Vergleich mit friiheren Ergebnissen In bereits fruher veroffentlichten Arbeiten')2) wurde

uber Rektifizierversuche mit 4 Zweistoffgemischen in den

Druckgrenzen zwischen 50 bzw. 100 und 760 Torr herich- tet, die ebenfalls an einer Saule von 100 mm Dmr. durch- gefiihrt wurden. Die dort abgeleitete Beziehung, nach der die obere Grenzgeschwindigkeit im wesentlichen nur vom groaten spez. Dampfgewicht abhangt, wurde auch durch das Experiment bestatigt. Die vorstehend mitgeteilten Versuche mit dem Gemisch AthylenchloridiToluol haben die Richtigkeit jener Gesetzmafiigkeit bis herab zu Drucken von 10 Torr erwiesen.

Die Gultigkeit des erwahnten Gesetzes der gleichen Druckverluste wurde bereits dutch die Bilder 7 und 8 her- vorgehoben. Mit rd. 300 mm WSim Schichthohe bei 8-mm- Raschig-Ringen liegen die Druckverluste um etwa 60 mm WS hoher als der in den genannten Arbeiten1)2) angege- bene Mittelwert. Auch die oberen Grenzgeschwindigkeiten weichen in positiver Richtung um einige Prozent von den alteren Versuchsergebnissen ab, Bild 12. Die Neigung die- ser in doppeltlogarithmischen Koordinaten dargestellten Geraden bleibt nach wie vor dieselbe. Das bekannte Wurzelgesetz, das besagt, daR die obere Grenzgeschwin- digkeit umgekehrt proportional der Wurzel aus der groD- ten in der Saule auftretenden Dampfwichte sei, findet dem- nach auch hier seine Bestatigung. Die genannten Differen- Zen bewirken lediglich eine Verschiebung der Konstanten nach einem etwas groaeren Wert.

Fur die obere Grenzgeschwindigkeit wurde fruher gefunden:

Bei den neuen Versuchen ergab sich gemaR der Dar- stellung in Bild 12 die Beziehung

Diese Unterschiede konnen zum Teil damit erklart wer- den, daD in der Zwischenzeit einige Anderungen an der Ver- suchsanlage vorgenommen worden waren. So wurde z. B. die Fiillung erneuert und die Aufgabevorrihtung abgean-

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Bild 12. Obere Grenzgescfiwindigkeit wD in Abhangigkeit vom grofiten spezifischen Dampfgewicht yD

8-rnm-Porzellan-Raschig-Ringe, Schichthohe 1 m, Saulen-Dmr. 100 mm; Gemisch: Athylenchlorid/Toluol, Blasenkonzentration

5 Mol-'J/o Athylenchlorid, Kucklaufverhaltnis 00

dert. Flussigkeitsaufgabe und Schuttdichte aber iiben einen nicht unbedeutenden EinfluR auf die Rektifizierwirkung und den Druckverlust aus1)6). Zum Teil ist die VergroDe- rung des Druckverlustes und der oberen Grenzgeschwin- digkeit aber auch auf das hohere spez. Gewicht der Ruck- laufflussigkeit zuruckzufuhren. Die geringe Verander- lichkeit des spezifischen Flussigkeitsgewichtes war bei der erwahnten Ableitung im Vergleich zu dem in weiten Grenzen schwankenden spez. Dampfgewicht vernachlassigt worden. Die Zulassigkeit dieser Vereinfachung wird durch die Tatsache gerechtfertigt, daR die festgestellten Diffe- renzen innerhalb des Streubereiches der Versuchsergeb- nisse liegen.

G1. ( la ) bzw.Gl. (lb) gilt jedoch nur fur 8-mm-Porzellan- Raschig-Ringe. Die Auswertung der Versuchsergebnisse fur Porzellan-Raschig-Ringe mit einer Abmessung von

Chemie-Iny .-Techn. 28. Jah rg . 1956 1 Nr. 7 479

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100 80 60

40

h

0

a F

.y,

2010 20 40 60 80100 200 Twr400 600 1000 187110131 Oruck p

Bild 13. Stromungsfaktor Em und giinstigste Wertungszahl ng in Abhangigkeit vom Drudi p am Saulenkopf

8-mm-Porzellan-Raschig-Ringe, Schichthohe 1 m, Saulen-Dmr. 100 mm; Gemisch: Athylenchlorid/Toluol, Blasenkonzentration

5 Mol-'o/o Athylenchlorid, Riicklaufverhaltnis 00

25X25X2 mm lieferte fur die obere Grenzgeschwindigkeit die Gleichung

In den genannten Veroffentlichungen wurde die Be- ziehung abgeleitet und durch Versuchsergebnisse belegt, daR der Quotient aus der Wertungszahl nt von 1 m Schicht- hohe und dem Stromungsfaktor 5 (Grundwert genannt) innerhalb des sog. Hauptabschnittes bei allen Druckver- lusten und fur alle Drucke nahezu konstant ist. Er betrug im Mittel

nL = 0,13 5 (24 .

Auch diese Tatsache konnte an dem nun untersuchten Gemisch AhylenchloricUToluol bis herab zu Drucken von 10 Torr bestatigt werden. Der iiber die Saulenhohe mitt- lere Grundwert fur die Verhaltnisse an der oberen Be- lastungsgrenze, welcher die gunstigste Wertungszahl n6 entspricht, errechnet sich zu

:K = 0,14 e m

Die Auswertung der Versuche mit 25 - mm - Porzellan- Raschig - Ringen ergab im Mittel ebenfalls den durch G1. (2a) gekennzeichneten Zahlenwert.

Der Stromungsfaktor 5, ist definiert durch den Druck- abfall A p in einer Fullkorperschicht der Hohe 1, bestehend aus Fullkorpern mit den Abmessungen d. Diese Gleichung kann geschrieben werden1)2) :

Wird fur A p der an der Belastungsgrenze auftretende Druckverlust von rd. 300 mm WS (Bild 8) in GI. (3) ein- gesetzt, so kann der auf den mittleren Saulendruck bezo- gene Strornungsfaktor tm errechnet werden. Er zeigt gemaR Bild 13 eine mit dem Druck leicht steigende Tendenz. Ein weiterer Schritt fuhrt iiber G1. (2b) unmittelbar zur ge- suchten gunstigsten Wertungszahl ng, deren Abhangigkeit vom Absolutdruck ebenfalls in Bild 13 graphisch wieder- gegeben ist.

Die Tatsache, daR die Wertungszahl mit sinkendem Druck abnimmt, kann durch eine einfache theoretische Be- trachtung der GroRen gedeutet werden, die den Wiirme- ubergang zwischen Flussigkeit und Dampf in einer Full- korpersaule kennzeichnen. Bedeuten 8 ["C] das in einem beliebigen Saulenquerschnitt herrschende Temperaturge- fllle zwischen Flussigkeit und Dampf und Q [kcal/Mol] diejenige Warmernenge, welche je Mol durch ein einem theoretisch arbeitenden Boden gleichwertigen Hohenstuck der Fullkorpersaule stromenden Gemischdampf ubertragen wird, so ergibt sich gemaR Bild 14 fur die beiden unter- suchten Gemische, daR der Quotient 8/Q um so kleiner ausfallt, je geringer der Druck ist. Der EinfluR dieses Quo- tienten auf die Verstarkungswirkung wurde auch bei Bodenkolonnen f e s t g e ~ t e l l t ~ ) ~ ~ ) ~ ~ ) .

I I I 1 1 1 I l l L'YIO 20 d0 60 80100 200 Tor? 400 600 1000

Druck p Bild 14. Der Wert 8/Q in Abhangigkeit vom Druck p

Zusammenfarrung

Es werden zwei Vakuum-Rektifizieranlagen beschrieben, an denen Versuche im Druckbereich zwischen 760 und 10 Torr durchgefuhrt wurden. Der Kolonnendurchmesser der ersten Anlage betrug 100 mm, die Fullung bestand aus 8-mm- Porzellan-Raschig-Ringen mit einer Schichthohe von 1 m. Die zweite Anlage hatte einen Kolonnendurchmesser von 400 mm und war bis zu einer Hohe von 1 m mit Porzellan- Raschig-Ringen rnit einer Abmessung von 25X25X2 mm angefullt. Als Versuchsgemische dienten Athylenchloridf Toluol und Wthanol/Wasser. Die Messungen wurden bei totalem Rucklauf durchgefuhrt. Fur beide Gemische und Fullkorperabmessungen konnte die bei fruheren Ver- suchen mit anderen Gemischen festgestellte Tatsache be- statigt werden, daR die theoretische Bodenzahl mit sinken- dem Absolutdruck abnimmt. Eine Bestatigung fand auch der schon fruher gefundene Zusammenhang zwischen der Wertungszahl und dem mittleren Stromungsfaktor, aus dem sich die Wertungszahlen fur den Hauptgeschwindig- keitsbereich fur die zugehorigen Geschwindigkeiten und spez. Gewichte des Dampfes berechnen lassen. Bedingt durch den EinfluR der relativen Fluchtigkeit muR der druck- bedingten Anderung der Wertungszahl nicht auch eine gleichsinnige Anderung der erreichbaren Konzentrations- erhohung parallel gehen. Eingeg. 8. Mai 1956 [B 7401

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480 Chemie-Ing.-Techn. 28. Jahrg. 1956 1 Nr. 7